La materia particulada de los motores de aeronaves afecta a las vias respiratorias

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De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud (OMS), siete millones de personas, a nivel mundial, mueren anualmente a consecuencia de la contaminación del aire. Durante 20 años aproximadamente, diversos estudios han mostrado que la materia particulada transportada por el aire afecta negativamente a la salud humana. Actualmente, en adición a las fuentes de partículas investigadas previamente como son: sistemas de calefacción, industria y tráfico motorizado; las partículas producidas por los motores de las aeronaves, a consecuencia del aumento del tráfico aéreo, han tomado mayor relevancia. Como resultado, una investigación científica de la materia particulada proveniente del tráfico aéreo es importante para el desarrollo de estándares en el sector de la aviación.

Las partículas sólidas primarias, por ejemplo aquellas emitidas directamente por la fuente, tienen los mayores efectos sobre las personas en sus inmediaciones. Sin embargo, la toxicidad de las partículas sólidas de los motores de aeronaves sigue sin investigarse a nivel mundial. Actualmente, un equipo multidisciplinar, dirigido por Marianne Geiser del Instituto de Anatomia en la Universidad de Bern, junto a colaboradores de Empa Dübendorf y la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Noroeste de Suiza (FHNW), ha mostrado que el hollín particulado tras la combustión de queroseno en motores de aeronaves también causa daño directo en las células pulmonares y puede desencadenar una reacción inflamantoria si las partículas sólidas — como se simula en el experimento — se inhalan en las proximidades de los motores. Los investigadores demostraron por primera vez los efectos dañinos en función de las condiciones de trabajo de los motores, la composición del combustible y la estructura de las partículas generadas. El presente estudio se ha publicado en la revista Nature Communications Biology.

Partículas extremadamente pequeñas, rango de la nano escala

Las partículas emitidas por los motores de las aeronaves generalmente son ultrafinas, por ejemplo inferiores a 100 nm. En comparación, un pelo humano tiene un diámetro aproximado de 80000 nm. Cuando se inhalan estas nanopartículas — como aquellas provenientes de diversas fuentes de combustión — se depositan en las vías respiratorias. En persona sanas, los buenos sistemas de defensa desarrollados en los pulmones, normalmente actuan frente a las partículas depositadas, eliminandolas de los pulmones tan rápido como sea posible. Sin embargo, las partículas inhaladas buscan formas de superar dichos mecanismos de defensa, debido a su estructura o propiedades fisico-químicas, produciendo un daño peligroso e irreparable en el tejido pulmonar. Este proceso, ya conocido por los investigadores mediante experimentos previos con emision de partículas por motores de gasolina y diésel, se ha estudiado para motores de aeronaves.

Propuesta única e interdisciplinar

Mediante experimentos combinados e innovativos, los investigadores estudiaron la toxicidad de partículas restantes de un turbofan CFM56-7B, el cual es el más empleado en turbinas aéreas a nivel mundial. La turbina funcionaba en modo despegue (simulando un despegue y posterior subida) y a velocidad de suelo en las instalaciones técnicas de SR en el aeropuerto de Zürich. Junto a estas pruebas, los investigadores son capaces de usar un método de medidas estandarizadas globalmente, aplicadas para la certificación medio ambiental de los motores de aviación. Se investigó la composición de los combustibles: los motores funcionaban con queroseno comercial Jet A-1 fuel o biofuel. El último está compuesto de queroseno con 32% HEFA (ésteres hidrogenados y ácidos grasos) proveniente de aceite para freir usado, grasas animales, algas y aceite de plantas.

Se desarrolló una cámara de deposición de aerosol, específicamente para investigar la toxicidad de nanopartículas inhaladas, in vitro y empleado en FHNW, haciendo posible depositar la materia particulada generada de la forma más realística para cultivo de células bronquiales epiteliales que simulen la superficie interna de los bronquios. Además, los investigadores fueron capaces de depositar un aerosol directamente sobre células pulmonares humanas, lo cual no sería posible con sujetos humanos debido a razones éticas. De forma consecutiva, las partículas se analizaron por sus propiedades fisico-químicas y estructura para examinar una posible relación con los efectos de las partículas. «Es un esperimento único a nivel mundial, combinando tecnología para medidas de emisión con análisis médicos bajo condiciones reales», señala Benjamin Brem, investigador de motores aeronáuticos en Empa, actualmente en el instituto Paul Scherrer.

La toxicidad depende de las condiciones de trabajo de las turbinas y el tipo de combustible

Las células se expusieron a un aerosol durante 60 minutos. Durante este periodo, se depositó una masa entre 1,6 y 6,7 ng por centímetro cuadrado de superficie celular mientras la turbina funcionaba a nivel de suelo, y entre 310 y 430 ng mientras estaba en modo de despegue. Este es el equivalente a la inhalación diaria en medio del medio rural contaminado con 20 mg de partículas por metro cúbico de aire en aire altamente contaminado en una gran ciudad (100-500 mg de partículas por metro cúbico de aire).

Las pruebas del aumento de daño en la membrana celular y se detectó estrés oxidativo en los cultivos celulares. El estrés oxidativo acelera el envejecimiento celular y puede desencadenar cáncer o problemas inmuno deficientes. Las partículas se tornaron en diferentes grados de daño dependiendo el nivel de empuje en la turbina y el tipo de combustible empleado: los mayores valores se dataron para combustibles convencionales a nivel de suelo, y para biofuel en modo despegue. Estos resultados fueron sorprendentes. Las reacciones en la célula en los ensayos con combustible convencional a completo empuje del motor — comparado con despegue y subida — en particular, eran menores de lo esperado. «Estos resultados se pueden explicar parcialmente por las pequeñas dimensiones y la estructura de estas partículas», indica Anthi Liati, especialista en aerosoles de nanoestructura por combustión en Empa. Adicionalmente, las células respondieron a la exposición a biofuel incrementando la secreción de citoquinas inflamatorias, las cuales juegan un papel central en nuestro sistema inmunitario. «Esta reacción reduce la capacidad de las células epiteliales para reaccionar apropiadamente frente a cualquier infección vírica o bacteriana» explica Marianne Geiser.

Generalmente, de acuerdo con los investigadores, se ha demostrado que el daño celular se ve afectado por la exposición a partículas generadas por la combustión de gasolina, diésel y queroseno, es comparable a dosis similares y tiempos de exposición. Adicionalmente, se ha encontrado un patrón similar en la secreción de citoquinas tras la exposición a partículas de gasolina y queroseno.

«El método empleado en nuestro estudio, con aproximación interdisciplinar, y el resultado obtenido constituye un paso adelante en la investigación de contaminantes aéreos y sus efectos sobre la salud» comenta Geiser.

Aerosoles, la distancia desde la fuente es vital

Los aerosoles son sustancias finas, sólidas o líquidas, suspendidas en el aire. En procesos de combustión, la composición de partículas ultrafinas varía significativamente. A demás, los aerosoles son inestables y se modifican tras su formación. Principalmente, las partículas ultrafinas sólidas tienen una alta velocidad de difusión. Como resultado, a altas concentraciones de dichas partículas se observan juntas entre sí o ligadas a otras partículas. Adicionalmente, los efectos de las partículas ultrafinas primarias dependen de la distancia a la fuente, implicando que hay diferencia dependiendo de si la persona se encuentra, con referencia a la fuente, lejos (pistas de embarque) o cerca (zonas de despegue o aterrizaje). Serán necesarias investigaciones posteriores para aclarar cuan relevante es su impacto, cuanto más alejado se esté de los motores de aeronaves.

Medidas medio ambientales, un compromiso Suizo

Desde que el «Plan de Acción frente a Materia Particulada» Suizo se introdujera en 2006, la Oficina Federal de Aviación Civil (BAZL), basándose en el principio de precaución, ha apoyado la introducción de un certificado de materia particulada para motores de aeronaves. y límite de emisión de partículas en la Organización Internacional de Aviación Civil (ICAO). BAZL ha fijado unas medidas internas y creado la fundación de la investigación en SR específicamente. Se ha apoyado a gran nivel esta investigación, el cual ha incrementado el conocimiento científico sobre la emisión aérea y tecnología para la medida de emisión, mediante «Financiación Especial de Aviación Civil» desde 2012. La investigación regida por el primer estándar global para medidas de materia particulada y cantidad en 2016. En Febrero de 2019, el comité medio ambiental de ICAO, en el cual estában presentes la mayor parte de paises manufacturadores, estaban de acuerdo en recomendar los límites que deberian aplicarse a nuevos motores a partir de la fecha 01/01/2020. Los resultados del presente estudio contribuyeron a establecer unos límites globales. Hasta el momento, la aviación es el único sector que ha introducido límites globales sobre la emisión de materia particulada ultrafina.

Puede consultar la publicación completa en el siguiente enlace: https://www.nature.com/articles/s42003-019-0332-7